Untersuchung der Faktoren, die die Last-Verschiebungs-Kurve eines Energieabsorptionsgeräts beeinflussen, durch Flächenaufteilungssimulation

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13492 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Eine vorgefaltete energieabsorbierende Vorrichtung, die das Schlüsselelement zur Energieabsorption und zum Aufprallschutz für die Fahrbahnunterstützung darstellt, wird durch quasistatische Kompression getestet und simuliert. Die energieabsorbierende Vorrichtung wird in Zonen unterteilt und der Einfluss der Fläche auf die Last-Verschiebungs-Kurve der energieabsorbierenden Vorrichtung wird entsprechend der Fläche untersucht. Es wurde festgestellt, dass der Fehler der numerischen Simulation innerhalb von 5 % liegt, was darauf hinweist, dass das Finite-Elemente-Modellierungsverfahren für das hier analysierte Problem geeignet ist. Das Gerät zerkleinert es nach dem vorgefalteten Origami-Muster in einem stabilen Verlauf. Das Gerät war in vier Bereiche unterteilt: den oberen und unteren Öffnungsbereich der konkaven Oberfläche, vier Eckteile; die anderen Bereiche der Eröffnungsregionen; die mittlere Faltkante; die umlaufenden vier Seitenkanten. Jeder Bereich wirkt sich auf die erste Abfallstufe und die zweite Anstiegsstufe der Lastverlagerungskurve aus. Der Mittelkantenbereich der Falte hat Einfluss auf den Spitzenlastwert der Last-Verschiebungskurve. Aus den Ergebnissen der numerischen Simulation wurden vier Indikatoren für Spitzenlast, Durchschnittslast, Lasteffizienz und spezifische Energieaufnahme generiert. Durch die Festigkeitssteigerung des Eckbereichs kann sichergestellt werden, dass die energieabsorbierende Vorrichtung eine niedrige Spitzenlast und eine hohe mittlere Quetschlast aufweist. Die anderen Bereiche der Öffnungsbereiche beeinflussen den ersten Abstieg und den zweiten Anstieg der Kurve. Die erste Steigstufe trägt die Last von der Mittelkante.

Beim Abbau von Kohleressourcen in der Tiefe kommt es häufig zu Steinschlagunfällen, die die Sicherheit der Ortsbrust und der Fahrbahn beeinträchtigen. Gesteinsbruch in einem Kohlebergwerk bezieht sich auf das dynamische Phänomen, dass das Gestein um das Bohrloch oder die Arbeitsfläche herum plötzlich schwere Schäden erleidet, und zwar aufgrund der sofortigen Freisetzung elastischer Verformungsenergie, was oft mit dem Herabfallen von Kohle und Gestein, großem Lärm und Gaswellen einhergeht . Es ist zerstörerisch und eine der größten Katastrophen in Kohlebergwerken. Die wirksame Technologie zur Verhinderung und Kontrolle von Steinschlägen ist die Unterstützungsmethode1. Es handelt sich um eine passive Schutzmethode zur Verbesserung der Fähigkeit des Stützkörpers, Steinschlägen zu widerstehen, indem die Stützstärke erhöht oder die Stützmethode verbessert wird. Die Ortsbrust hat Halt, und auch die Fahrbahn braucht Halt. Die Straßenunterstützung umfasst verschiedene Arten. Lv et al.2,3 erstellten ein mechanisches Modell einer starr-flexiblen energieabsorbierenden Stützstruktur. Cheng et al.4 entwickeln ihren wirksamen Überspannungsschutzmechanismus gegen Stoßbelastungen anhand der Verformungseigenschaften des Halterungslagers. Zhang et al.5 schlugen Fehlertypen für Ankerstangen (Kabel) und U-förmige Rahmenstützen sowie eine Kontrolltechnologie vor. Zhang et al.6,7,8 verifizieren die Wirksamkeit der Anwendung von Portalklammern zur Lösung praktischer technischer Probleme in tatsächlichen Projekten. Fan et al.9 schlugen drei Druckrahmen-Warnindikatoren vor, die auf der Identifizierung der Stentposition basieren. Chen et al.10 entwarfen und entwickelten eine sich selbst bewegende flexible hydraulische Schildunterstützung, die erfolgreich beim Abbau stark geneigter Kohleflöze eingesetzt wurde. Zhang et al.11 analysieren die mechanische Leistung der hydraulischen Unterstützung von Schildbrüchen mit zwei Stützen. Tian, Q.12, hat eine hydraulische Unterstützung vom Typ Stützschild entwickelt, um eine technische Referenz zu bieten und zu verhindern, dass die hydraulische Unterstützung beim Kohleflözbergbau mit großen Neigungen kippt und verrutscht. Die hydraulische Säulenunterstützung ist ein wichtiges Mittel, die energieabsorbierende Anti-Aufprall-Unterstützung13,14,15 ist eine wirksame Form, die den Stützeffekt durch Nachgeben und Nachgeben erzielen kann.

Das Energieabsorptionsgerät ist ein wichtiger Teil der Unterstützung im Energieabsorptionsunterstützungssystem. Es kann den Aufprall des umgebenden Gesteins durch schnelles Nachgeben abfedern und das Tragsystem vor Schäden schützen16. Es gibt viele Studien zu Energieabsorptionsgeräten in anderen Bereichen. Im Bereich des Verkehrs, z. B. Fahrzeugunfallverhütung, unterstützende Rolle im Prozess des Frachtraumabsturzes von Flugzeugen und Rolle bei der Unfallverhütung bei Kollisionen moderner Schienenfahrzeuge17,18,19,20,21. Die energieabsorbierenden Vorrichtungen erscheinen bei axialer Kompression als fortschreitende Falte, und die plastische Verformung der Falte kann eine große Energiemenge absorbieren22. In den letzten Jahren haben viele Experten und Wissenschaftler das Design der Energieabsorptionskapazität der Energieabsorptionsvorrichtungen optimiert. Wang et al.23 verbessern die Energieabsorptionsfähigkeit durch Optimierung der Querschnittsgeometrie der Energieabsorptionsvorrichtung. Tarlochan et al.24 wählen dünnwandige Strukturen mit Querschnittsformen aus, die die Leistungsanforderungen erfüllen, um die Crash-Leistung zu verbessern. A, A. Nia. et al.25 fanden heraus, dass kreisförmige Rohre unter allen untersuchten Abschnitten das größte Energieabsorptionsvermögen und die größte durchschnittliche Kraft aufweisen, indem sie dünnwandige Rohre mit unterschiedlichen Querschnittsformen untersuchten. Zarei 26 nutzte die Multidesign-Optimierungstechnologie, um die mit Aluminium gefüllten Waben zu optimieren und so die Energieaufnahme und spezifische Energie zu maximieren. Yalcin 27 zeigte durch Experimente, dass das richtige, mit PVC-Schaum gefüllte runde Aluminiumrohr einen signifikanten Einfluss auf die Energieabsorptionskapazität hat. Xing et al.28 analysierten die axialen Energieabsorptionseigenschaften von Aluminiumwabenpuffern anhand technischer Beispiele und numerischer Simulationen. Zhang et al.29 diskutieren die Beziehung zwischen Formparametern von Wabenzellen und der dynamischen Leistung des Isolators. Yuan et al.30 können die Energieabsorptionsfähigkeit der Verbundstruktur effektiv verbessern, indem sie die Materialzusammensetzung und das Strukturdesign optimieren. Im Bergbaubereich gibt es viele Studien zu Stützen, aber die Forschung zu vorgefalteten energieabsorbierenden Geräten reicht nicht aus.

Der Arbeitsmechanismus der energieabsorbierenden Vorrichtung besteht darin, dass die energieabsorbierende Vorrichtung die Aufprallenergie im Kollisionsprozess durch eigene Knick-, Bruch- und andere Fehlerformen in plastische Verformungsenergie umwandelt. Je größer die plastische Verformungsfläche der Struktur ist, desto mehr Energie wird im Verformungsprozess aufgenommen und umgewandelt. Der Faltvorgang und die mechanischen Eigenschaften eines vorgefalteten energieabsorbierenden Geräts wurden durch einen quasistatischen Kompressionstest untersucht und von ABAQUS simuliert. Die Eigenschaften und Ursachen der Last-Verschiebungs-Kurve des energieabsorbierenden Geräts wurden analysiert. Der Aufprallprozess bestimmt, dass die Unterstützung erfolgt Man sollte es zuerst aufgeben und dann Widerstand leisten. Die beste Unterstützungskurve sollte ein konstanter Widerstand sein. Die Energieaufnahmekurve des Trägers weist die größte Energieaufnahme und den stärksten Widerstand auf. Die meisten der existierenden Energieabsorptionskurven sind W-förmig. Daher ist es notwendig, die Energieabsorptionsvorrichtung zu untersuchen, die Stützwirkung zu verbessern, die Tragfähigkeit von Säulen zu verbessern, das Anwendungsniveau von Energieabsorptionskomponenten zu verbessern und die Tragfähigkeit der Energieabsorptionsunterstützung zu verbessern.

Basierend auf der numerischen Simulation des quasistatischen Kompressionstests an der energieabsorbierenden Vorrichtung untersucht dieser Artikel die Eigenschaften der Last-Verschiebungs-Kurve der energieabsorbierenden Vorrichtung. Unter der Voraussetzung, dass das energieabsorbierende Gerät auf der Dehnungszoneneinteilung basiert, vergleicht dieser Artikel die Parameter des energieabsorbierenden Geräts nach der Verstärkung in verschiedenen Bereichen und stellt schließlich die Optimierungsziele und technischen Praktiken für das energieabsorbierende Gerät vor.

Dieser Fall eines energieabsorbierenden Geräts in einem Kohlebergwerk befindet sich in der Provinz Henan, China. Die Fahrbahn der Kohlenmine wird durch Ankernetze, Ankerstangen, Ankerkabel, hydraulische Hebeschuppen und hydraulische Stützen zur Verhinderung von Steinschlägen gestützt31. Die hydraulische Stütze in der Fahrbahn des Kohlebergwerks verfügt über eine energieabsorbierende Aufprallschutzvorrichtung, die in Abb. 1 dargestellt ist. Die Hauptstruktur besteht aus vier Teilen: gewölbter Oberbalken, Mikrobogenbasis, hydraulische Säule und Aufprallschutzvorrichtung, die eine bilden symmetrische gewölbte Rahmenstruktur, die in Abb. 2 dargestellt ist. Der gewölbte Oberträger wird hauptsächlich zur Unterstützung des umgebenden Felsens am oberen Ende der Fahrbahn verwendet. Drei hydraulische Säulen werden zwischen den oberen und unteren Balken gestützt und bieten einen Arbeitswiderstand für die Stütze. Die energieabsorbierende Vorrichtung stellt zusammen mit der Säule einen Arbeitswiderstand während der quasi-statischen Stützung bereit und kann sich im Falle eines plötzlichen großen Aufpralls auf umliegendes Gestein schnell verformen und Energie absorbieren, um so einen Verformungsprozess der gesamten Stütze zu realisieren.

Foto einer Aufprallschutzunterstützung mit Energieabsorption auf der Fahrbahn.

Lage des energieabsorbierenden Geräts in der Struktur.

Das energieabsorbierende Gerät verwendet das Origami-Muster32. Die Abmessungen des Geräts sind in Abb. 3 dargestellt. Die Änderung des Neigungswinkels der Falten entspricht der Form der Wandplatte und der Höhe des Zylinders. Da die Verformung des vorgefalteten Quadrats einem festen Muster unterliegt und vorhersehbar ist, kann es als parametrierbare energieabsorbierende Vorrichtung eingesetzt werden, indem die Beziehung zwischen seiner geometrischen Beziehung, den Materialeigenschaften und den Knickeigenschaften der vorgefalteten quadratischen Struktur untersucht wird.

Abmessungen des vorgefalteten energieabsorbierenden Geräts.

Theoretisch lässt sich durch schrittweises Falten eines flachen Blatts entlang der Falten und anschließendes Verbinden der beiden gegenüberliegenden freien Kanten eine quadratische vorgefaltete Origami-Schachtel konstruieren, wie in Abb. 3(a) gezeigt33. Tatsächlich besteht das energieabsorbierende Gerät aus Q69034, einer der hochfesten Stahlplatten in China34. Die Stahlplatte ist 10 mm dick und kann nicht gefaltet und von einer ganzen Stahlplatte umschlossen werden. Die energieabsorbierende Vorrichtung wird durch Stumpfschweißen zweier Halbschalen als Ganzes hergestellt. Die spezifischen Schritte sind wie folgt: (1) Schneiden von Stahlplatten; (2) Halbschalenbiegen; (3) Kantenbeschnitt; (4) Stumpfschweißen; (5) Wärmebehandlung. Die Halbschale der vorgefalteten Vierkantrohrprobe wird gefaltet und durch eine Gruppe von Formen und deren Stützpresse gepresst, wie in Abb. 4 dargestellt. Um übermäßige Schäden an der Biegeposition zu verhindern, muss die Stahlplatte vorher vorgewärmt werden Biegen. Die geformte, vorgefaltete Vierkantrohrprobe wird zuerst abgeschreckt und dann angelassen, um die Restspannung an der Biegung der Stahlplatte und in der Nähe der Schweißnaht zu beseitigen. Ein solcher Prozess beeinträchtigt zwangsläufig die mechanischen Eigenschaften der energieabsorbierenden Vorrichtung und beeinträchtigt somit die Aufprallfestigkeit des Fahrbahnträgers.

Herstellung eines vorgefalteten Vierkantrohrs für energieabsorbierende Geräte.

An der energieabsorbierenden Vorrichtung wurde ein quasistatischer Kompressionstest durchgeführt, um die Lastverlagerungskurve und die Charakteristik der Energieabsorption zu erhalten. Zur Belastung mittels Verdrängungsbelastung wurde die hydraulisch servogesteuerte Prüfmaschine mit der Modellnummer RLJW-2000 eingesetzt. Der dynamische Belastungsbereich betrug 3000 kN und die maximale Belastungsgeschwindigkeit betrug 8 m/s. Der gesamte Verformungsprozess wurde durch hochauflösende Fotos beobachtet. Gleichzeitig wurden die Verdrängungsverformung und der Aufpralldruck gemessen.

Das Forschungsobjekt dieser Arbeit ist das vorgefaltete energieabsorbierende Gerät aus hochfestem Stahl, das große Verformungen aufweist. Daher wurde das Finite-Elemente-Analyse-Softwarepaket ABAQUS/Explicit35 zur Simulation des axialen Kompressionsprozesses eingesetzt. Der Kompressionstest wurde als energieabsorbierendes Gerät modelliert, das auf einer festen stationären starren Platte stand und von einer sich bewegenden Platte mit der Testbelastungsrate zusammengedrückt wurde. Der beweglichen starren Platte wurde eine Abwärtsverschiebung zugewiesen, um den Komprimierungsprozess frei zu steuern, und die in ABAQUS integrierte sanfte Amplitudendefinition wurde der Steuerung der Belastungsrate zugewiesen. Der endgültige Kompressionssimulationsweg betrug 120 mm. Zur Vernetzung des Geräts wurden Schalenelemente mit vier Knoten und reduzierter Integration S4R verwendet. Selbstkontakt wurde verwendet, um die Kontakte zwischen dem Gerät selbst zu modellieren. Unter Berücksichtigung des Reibungskoeffizienten von 0,3 standen die Ober- und Unterkanten des Geräts in einem Reibungskontakt mit den starren Platten. Die Dichte beträgt 7650 kg/m3, der Elastizitätsmodul beträgt 210 GPa, die Streckgrenze beträgt 690 MPa, die Dicke der Energieabsorptionsvorrichtung beträgt 6 mm, der Schritt ist nur eins und dynamisch explizit und die Zeitspanne beträgt 0,02 s, nlgeom ist aktiviert , Zeitskalierungsfaktor 1, Häufigkeit der Feldausgabe in gleichmäßigen Zeitabständen, Intervall 200, Grenzdehnung 0,2, Poissonzahl 0,3 wurden zur Beschreibung des Festigkeits-/Dehnungskriteriums des Materials und der Abmessungen des Geräts verwendet stimmte mit dem Prüfling überein.

Die Genauigkeit der ABAQUS-Berechnung wird durch das Netz beeinflusst36, wie in Abb. 5 gezeigt, waren die Lastverschiebungskurven je nach Netz völlig unterschiedlich. Zur Simulation wurden eine globale Maschenweite von 4 mm und eine Analysezeit von 0,02 s gewählt. Das Gerätemodell wurde in 7536 Gitterzellen unterteilt. Das numerische Modell ist in Abb. 6 dargestellt.

Simulationsergebnisse unterschiedlicher Maschenweite.

Numerisches Simulationsmodell.

Die Lastverschiebungskurve von Test und Simulation mit dem Kompressionsprozess im Test ist in Abb. 7 dargestellt, die wie oben erwähnt W-förmig ist und Schwankungen nach oben und unten aufweist. Aus dem Zahlenwert in Abb. 7 geht hervor, dass die Streckgrenze (Fmax) im Test 3115,29 kN betrug und damit ungefähr dem Wert in der Simulation entspricht, der 3020,51 kN beträgt. Die minimale Lastkapazität während der Verformung (Fmin) betrug im Test 1604,22 kN und entsprach in etwa dem Wert in der Simulation, der 1529,77 kN beträgt. Der Fehler der numerischen Simulation liegt innerhalb von 5 %, was darauf hinweist, dass das Finite-Elemente-Modellierungsverfahren für das hier analysierte Problem geeignet ist.

Die Lastverschiebungskurve von Test und Simulation.

Obwohl die aus dem Kompressionstest und der numerischen Simulation erhaltenen Last-Verschiebungs-Kurven ungefähr gleich waren, änderten sich tatsächlich die Materialeigenschaften aufgrund von Biegung und Überhitzung während des Produktionsprozesses, was dazu führte, dass die Lastkurve des Energieabsorptionsgeräts nicht genau simuliert werden konnte. Aufgrund von Referenz37 variiert die Belastung der energieabsorbierenden Vorrichtung im Zerkleinerungsprozess je nach Region. Es zeigt sich, dass der Produktionsprozess des energieabsorbierenden Geräts die Materialeigenschaften jeder Position beeinflusst.

Abbildung 8 zeigt den Komprimierungsprozess des Geräts und die entsprechenden PEEQ-Konturkarten sind dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Gerät dem vorgefalteten Origami-Muster in einem stabilen Verlauf folgt. Zu Beginn beginnt sich zunächst die mittlere Vorfaltzone zu falten, während die Last schnell angehoben wird. Aus der PEEQ geht aus der zweiten Karte hervor, dass sich entlang der vier Seiten zwei Paare beweglicher Kunststoffscharnierlinien gebildet haben und die Last ihren Höhepunkt erreicht hat. Als das Gerät weiter zusammengedrückt wurde, entfernten sich die beweglichen Kunststoffscharnierlinien voneinander und verformten die Eckbereiche, wie in der dritten Karte zu sehen ist, und die Last begann zu sinken. Die obere Hälfte des Geräts kollabierte und der Faltbereich erzeugte eine Stapelverformung. Nachdem das Obermaterial vollständig gefaltet war, begann das Unterteil zusammenzufallen, bis das gesamte Gerät vollständig zerdrückt war. Es ist erwiesen, dass das Gerät einen stabilen und vorhersehbaren Verformungsprozess aufweist. Aus den PEEQ-Konturkarten in Abb. 8 ist ersichtlich, dass die plastische Verformung auf die Zonen wie die Kante, die Faltlinie und die Ecke beschränkt war, während die übrigen Platten eine geringe plastische Verformung erfahren. Daher sollte bei der Analyse der Lastverlagerungskurve eines energieabsorbierenden Geräts diese in verschiedene Bereiche unterteilt werden.

Crush-Prozess und PEEQ-Konturkarte.

Entsprechend der Charakteristik der Druckverformung und der plastischen Zonen wurde die energieabsorbierende Vorrichtung in mehrere unterschiedliche Bereiche unterteilt. Es wurde in vier Bereiche unterteilt: Der obere und untere Öffnungsbereich der vier Eckteile der konkaven Oberfläche wird mit O1 bezeichnet; die anderen Bereiche der Öffnungsregionen mit der Bezeichnung O2; die mittlere Faltkante mit der Bezeichnung M; die umlaufende vierseitige Kante mit der Bezeichnung RL, die in Abb. 9 dargestellt ist.

Schematische Darstellung der Modellpartition.

Die Lastverlagerungskurve des energieabsorbierenden Geräts wurde durch die Entwicklung der plastischen Zone beeinflusst, und der Bereich der verschiedenen Bereiche wurde gemäß der folgenden Tabelle 1 berechnet. Das unveränderte Originalgerät erhielt zum Vergleich die Bezeichnung IM.

Basierend auf den Leistungsanforderungen verschiedener Bereiche wurden aus den Ergebnissen der numerischen Simulation vier Indikatoren für Spitzenlast, Durchschnittslast, Lasteffizienz und spezifische Energieaufnahme38 generiert. Die folgenden Indikatoren werden beschrieben:

(1) Spitzenlast

In Gl. (1) F(s) ist der zeitliche Verlauf der Belastung im Komprimierungsprozess. Die Spitzenlast Fmax ist der Schwellenwert, bei dem das energieabsorbierende Gerät zu zerquetschen beginnt.

(2) Durchschnittliche Belastung

In Gl. (2) S ist die gesamte Kompressionsverschiebung der energieabsorbierenden Vorrichtung. Fmean ist die Energieabsorption pro Kompressionsverschiebungseinheit, die die gesamte Energieabsorptionskapazität widerspiegelt.

(3) Lasteffizienz

In Gl. (3) ist der Lastwirkungsgrad das Verhältnis der durchschnittlichen Last zur Spitzenlast, FE ∈ (0,1). Je kleiner der Wert, desto stärker ist die Volatilität der Last beim Komprimieren und je näher sie bei 1 liegt, desto stabiler ist sie.

(4) Spezifische Energieabsorption

In Gl. (4), m ist die Gesamtmasse des energieabsorbierenden Geräts und E ist die gesamte Energieabsorption des Geräts, die durch die Gleichung berechnet wird. (5):

Die Ergebnisse der Bewertungsindikatoren sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Den numerischen Simulationsergebnissen zufolge sind die Lastverschiebungskurven der Energieaufnahme unter Arbeitsbedingungen in Abb. 10 dargestellt.

Last-Verschiebungs-Kurven.

Die numerischen Daten in Tabelle 2 zeigen, dass Fmax von O1-10 und O1-15 getrennt 3056,12 kN und 3046,42 kN beträgt und ungefähr dem von IM entspricht. Die Reichweite des O1-Bereichs hat grundsätzlich keinen Einfluss auf die Spitzenlast des Gerätes. Fmean von O1-10 beträgt 2556,93 kN, 31,77 % und höher als der von IM, während FE von O1-10 0,84, 31,25 % höher als der von IM ist. O1-15 hat fast die gleichen numerischen Daten. Das bedeutet, dass die Festigkeitssteigerung des Eckbereichs dafür sorgen kann, dass die energieabsorbierende Vorrichtung eine niedrige Spitzenlast und eine hohe mittlere Quetschlast aufweist. Außerdem ist die SEA von O1-10 und O1-15 deutlich verbessert, die um 31,78 % bzw. 29,62 % höher ist als die von IM.

Aus Abb. 10a ist ersichtlich, dass es grundsätzlich keinen Unterschied im Lastwert gibt, bevor die Kompressionsverschiebung 20 mm beträgt, unabhängig von der Änderung der O1-Fläche. Das erste Abbaustadium von O1-10 und O1-15 liegt deutlich früher als das von IM. Die Belastung begann wieder zu steigen, wenn die Kompressionsverschiebung 60 mm für O1-10 und 65 mm für O1-15 betrug, also früher als 70 mm für IM. Das bedeutet, dass der Mindestwert von O1-10 und O1-15 höher ist als der von IM. Daraus lässt sich schließen, dass die Lastverlagerungskurve stabil ist. Mit der Zunahme der O1-Breite neigen der erste abfallende Abschnitt und der zweite ansteigende Abschnitt der Lastverlagerungskurve dazu, flach zu sein, was darauf hindeutet, dass der O1-Bereich den der Kurve beeinflusst.

Wenn der O1-Bereich geändert wird, zeigen die numerischen Daten in Tabelle 2, dass Fmax von O1-O2-10 und O1-O2-15 getrennt 3062,13 kN und 3048,15 kN beträgt und ebenfalls ungefähr dem von IM entspricht. Der O2-Bereich hat keinen Einfluss auf die Schwankung der Spitzenlast. Die Reichweite des O2-Bereichs hat grundsätzlich keinen Einfluss auf die Spitzenlast des Gerätes. Fmean von O1-O2-10 beträgt 2576,31 kN, 32,77 % und höher als der von IM, während FE von O1-O2-10 0,84 beträgt, 31,25 % höher als der von IM. O1-O2-15 hat nahezu die gleichen numerischen Daten. Das bedeutet, dass die Festigkeitssteigerung der Öffnung und des Eckbereichs dafür sorgen kann, dass die energieabsorbierende Vorrichtung eine niedrige Spitzenlast und eine hohe mittlere Quetschlast aufweist. Außerdem ist die SEA von O1-O2-10 und O1-O2-15 deutlich verbessert, die um 32,79 % bzw. 28,93 % höher ist als die von IM. Unter dem Einfluss der O1-Region hat die O2-Region kaum Einfluss auf die Kurve.

Aus Abb. 10b ist ersichtlich, dass es grundsätzlich keinen Unterschied im Lastwert gibt, bevor die Kompressionsverschiebung 20 mm beträgt, unabhängig davon, ob sich der O2-Bereich ändert. Wenn die O1-Breite 10 mm beträgt und die Verschiebung zwischen 20 und 40 mm liegt, führte eine Änderung der O2-Breite zu einer Verringerung der Kurve. Bei einer Verschiebung zwischen 50 und 80 mm nimmt die Kurve zu. Wenn die O1-Breite jedoch 15 mm beträgt, ändert sich die Kurve grundsätzlich nicht, nachdem sich O2 geändert hat. Dies zeigt, dass der O2-Bereich den ersten Abstieg und den zweiten Anstieg der Kurve beeinflusst.

Die numerischen Daten in Tabelle 2 zeigen, dass Fmax von M-10 3214,36 kN beträgt, was 5,4 % höher ist als der von IM, was darauf hinweist, dass die M-Region einen gewissen Einfluss auf die Spitzenlast hat. Die Spitzenlast des Geräts wird offensichtlich durch die Verstärkung der Mittelkante verbessert. Fmax von O1-O2-M-10 beträgt 3059,49 kN, was 0,32 % höher ist als der von M-10. Fmean von M-10 beträgt 2504,54 kN, 29,07 % höher als der von IM, 3,88 % niedriger als der von O1-O2-M-10. Durch gleichzeitige Änderung der O1- und O2-Region wird die Spitzenlast verringert, die Mittellast verbessert. Während die FE von M-10 mit 0,78 21,88 % höher ist als die von IM. Das bedeutet, dass die Festigkeitssteigerung des Mittelkantenbereichs dafür sorgen kann, dass die energieabsorbierende Vorrichtung sowohl einer hohen Spitzenlast als auch einer hohen mittleren Drucklast standhält. Darüber hinaus ist die SEA von M-10 deutlich verbessert und liegt um 29,08 % über der von IM.

Aus Abb. 10c ist ersichtlich, dass im Vergleich zur Kurve von IM; Das Anfangsstadium wird durch die Änderung der M-Region verbessert. In der ersten Gefällephase ist die Kurve sanfter und die Talsohle ist deutlich fortgeschrittener und verbessert. Die Kurve ist niedriger als die ursprüngliche Modellkurve vor der Verschiebung von 40 mm. Nach der Verschiebung um 40 mm ist die Kurve höher als bei IM. In der zweiten Anstiegsphase verzögerte sich der Spitzenwert der Kurve offensichtlich und nahm ab, und die Kurve war flach. Es zeigt sich, dass die erste Steigstufe die Last von der Mittelkante aus trägt.

Die numerischen Daten in Tabelle 2 zeigen, dass Fmax von O1-O2-M-RL-10 3046,42 kN beträgt und ebenfalls ungefähr dem von IM entspricht. Fmean von O1-O2-M-RL-10 beträgt 2514,92 kN, 29,60 % und höher als der von IM, wohingegen FE von O1-O2-M-RL-10 0,83 beträgt, 29,69 % höher als der von IM. Das bedeutet, dass die Festigkeitssteigerung des Mittelkantenbereichs dafür sorgen kann, dass die energieabsorbierende Vorrichtung sowohl einer hohen Spitzenlast als auch einer hohen mittleren Drucklast standhält. Darüber hinaus ist die SEA von O1-O2-M-RL-10 deutlich verbessert, nämlich 29,62 % und damit höher als die von IM.

Aus Abb. 10d ist ersichtlich, dass es in der zweiten Hälfte der Kurve zu einer deutlichen Änderung kommt. Die zweite Spitzenlast vom Typ „W“ trat kaum auf. Die erste Halblast ändert sich nicht, wenn sich der RL-Bereich ändert. Der erste Rückgang und der zweite Anstieg der Kurve verliefen stabiler, und die erste Rückgangsphase nahm deutlich ab und verzögerte sich um etwa 10 mm. Wenn die Verschiebung zwischen 20 und 40 mm liegt, wird die Kurve offensichtlich verbessert, während sie zwischen 50 und 60 mm liegt, verringert sich die Last offensichtlich um etwa 1000 kN.

Ein vorgefaltetes energieabsorbierendes Gerät wurde durch quasistatische Kompression getestet und simuliert. Numerische Simulationsergebnisse zeigen, dass das Finite-Elemente-Modellierungsverfahren geeignet ist. Entsprechend den Eigenschaften der Druckverformung und der plastischen Zonen wurde die Energieabsorptionsvorrichtung in verschiedene Bereiche unterteilt. Der Einfluss des Bereichs auf die Last-Verschiebungs-Kurve der Energieabsorptionsvorrichtung wird untersucht. Für die Effekte wurden vier Indikatoren für Spitzenlast, Durchschnittslast, Lasteffizienz und spezifische Energieaufnahme verwendet, die aus den Ergebnissen der numerischen Simulation generiert wurden.

Jeder Bereich wirkt sich auf die erste Absenkstufe und die zweite Anstiegsstufe der Kraft-Weg-Kurve aus. Der Mittelkantenbereich der Falte hat Einfluss auf den Spitzenlastwert der Kraft-Weg-Kurve. Durch die Festigkeitssteigerung des Eckbereichs kann sichergestellt werden, dass die energieabsorbierende Vorrichtung eine niedrige Spitzenlast und eine hohe mittlere Quetschlast aufweist. Die anderen Bereiche der Öffnungsbereiche beeinflussen den ersten Abstieg und den zweiten Anstieg der Kurve. Die erste Steigstufe trägt die Last von der Mittelkante.

Fmax von M-10 beträgt 3214,36 kN, was 5,4 % höher ist als der von IM. Fmax von O1-O2-10, O1-O2-15, O1-O2-M-10, O1-O2-M-RL-10 entsprach ebenfalls ungefähr dem von IM. Der F-Mittelwert von O1-O2-10, M-10, O1-O2-M-RL-10 ist 32,77 %, 29,07 % und 29,60 % höher als der von IM. Die SEA von O1-O2-10, O1-O2-15, M-10, O1-O2-M-RL-10 ist deutlich verbessert und höher als die von IM.

Aus einer umfassenden Sicht auf die vier Aspekte Spitzenlast, Durchschnittslast, Lasteffizienz und spezifische Energieaufnahme kann O1-O2-M-10 eine gute Rolle spielen, und seine Durchschnittslast, Lasteffizienz und spezifische Energieaufnahme werden am meisten verbessert. Das sind 32,77 %, 32,81 % bzw. 34,30 % mehr als IM. Es hat die beste Wirkung auf die Verbesserung der Energieabsorptionskurve des Energieabsorptionsgeräts.

Der Aufprallvorgang bestimmt, dass die Stütze zunächst nachgeben und dann Widerstand leisten soll. Die beste Stützkurve sollte ein konstanter Widerstand sein, sodass die Energieabsorptionskurve der Stütze die größte Energieabsorption und den stärksten Widerstand aufweist. Allerdings sind die meisten existierenden Energieabsorptionskurven W-förmig. Daher kann die Forschung an der vorfaltenden Energieabsorptionsvorrichtung die Energieabsorptionskurve der Stütze verbessern, die Stützwirkung verbessern, die Tragfähigkeit der Säule verbessern, das Anwendungsniveau von Energieabsorptionskomponenten verbessern und die Stützkapazität der Energie verbessern Absorptionsunterstützung, um die Tragfähigkeit der Fahrbahn zu stärken und den durch den Steinschlag verursachten Schaden zu verringern.

Alle Daten, Modelle oder Codes, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Fakultät für Bauingenieurwesen, North China University of Technology, Peking, China

Dong An, Tianwang Liu, Hewei Cui, Zheng Chen, Hailiang Xu und Yimin Song

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DA und TL An haben den Hauptmanuskripttext geschrieben und ZC hat die Abbildungen 1-10 vorbereitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Zheng Chen.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 22. Januar 2022

Angenommen: 31. Juli 2022

Veröffentlicht: 05. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17784-x

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